CN104120130B - 一种盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子及其应用 - Google Patents

一种盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子及其应用。它从模式植物拟南芥中克隆了AtPGK2基因的启动子序列,随后在转基因拟南芥中证实,该启动子能够驱动GUS报告基因以盐胁迫诱导的形式在植物叶片中特异性表达。应用本发明的启动子,构建获得“启动子‑目的基因”融合基因,将其转化植物可获得盐胁迫诱导的植物叶片特异性表达目的基因的转基因植物。这不仅有助于研究植物响应盐胁迫的分子机制,并应用于植物基因工程中使外源基因以盐胁迫诱导的形式调控目的基因在植物叶片中特异性表达,同时有针对性地提高植物的耐盐性,具有广泛的应用价值。

Description

一种盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子及其应用
【技术领域】:本发明属于植物基因工程领域,具体说涉及一种盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子及其应用。
【背景技术】:盐胁迫是植物遭受的非生物胁迫之一,严重影响了植物的生长发育和农作物的产量及品质(Parvaiz and Satyawati, 2008)。我国盐渍土分布广、面积大、类型多,约占国土面积的10%,而且每年盐渍土壤的面积不断扩展,使农业生产的可持续发展受到威胁(孙建昌等, 2008)。因此,培育耐盐性强的农作物新品种具有重要的实际意义。
启动子是位于结构基因上游的调控序列,它像“开关”一样,能够调控其下游基因表达的时空特异性。高等植物的启动子分为三类:组成型启动子、组织器官特异性启动子和诱导型启动子(王颖等,2003)。组成型启动子调控的目的基因可以在所有组织中表达,不表现时空特异性;组织器官特异性启动子所调控结构基因的表达仅局限在某些特定的器官或组织中;诱导型启动子是在某些外源或內源特定的物理和化学等信号的诱导下,启动目的基因的表达(王颖等,2003;路静等,2004)。
在组成型启动子中,目前使用最广泛的是花椰菜花叶病毒的CaMV 35S启动子(王颖等,2003;李杰等,2006)。如Tsuchiya等(1996)发现CaMV 35S启动子和水稻Actl启动子在百合的基因转化中具备高效的转录调控活性;Sunilkumar等(2002)以CaMV 35S启动子驱动绿色荧光蛋白(GFP)基因在转基因棉花中表达。虽然利用组成型启动子驱动目的基因在转基因植物中表达对于研究基因的功能和改变农作物的农艺性状取得了一定的进展,但是由于在植物基因工程中利用组成型启动子会导致外源基因在所有组织中过度的表达,大量消耗细胞内的物质和能量,在改变植物目的农艺性状的同时也影响了植物正常生长发育的进程,因此在应用中存在很多弊端(Gittins et al., 2000)。如在转基因植物中组成型表达外源目的基因,产生大量的代谢产物,阻碍了植物的正常生长发育,不利于产量和品质的提高;有些外源基因的表达产物甚至有毒,导致植株的死亡(Robinson, 1996; Gilmour etal., 2004; Qin et al., 2004; Savitch et al., 2005; Thomashow, 2010)。因此,在植物的基因工程领域中,亟待获得有效的组织器官特异性或诱导型启动子代替组成型启动子,以更好地调控外源基因的表达,从而为农业生产服务。如Gan等(1995)将衰老相关基因SAG12的启动子与ipt目的基因构成的融合基因,使ipt基因在转基因烟草的衰老叶片中特异表达,合成较多的细胞分裂素以延缓转基因烟草的延缓;Mariani等(1990; 1992)将烟草花药绒毡层特异表达基因的启动子TA29与Barnase基因融合后转化植物核酸酶基因在花药中特异表达,获得了烟草和油菜的雄性不育材料,并进行了商业化应用。
拟南芥属于十字花科,由于其基因组小、生长周期短、生物信息资源丰富和繁殖能力强等特点,已成为分子生物学研究的模式植物(张振桢等,2006)。叶片是植物重要的器官之一,在植物的生长和发育的整个生命周期中特别是对于光合作用具有重要的作用。在农业生产中,叶片的光合作用是作物产量形成的基础。许多研究表明,叶片的叶绿体对环境变化尤为敏感,当植物受到盐胁迫后,叶绿体的类囊体膜解体、叶绿体的功能紊乱和光合能力急剧下降,严重影响作物的产量和品质(Qiu et al., 2003; Chavels et al., 2009;Ashraf and Harris 2013)。因此,如果在叶片中特异性表达植物的耐盐基因,一方面可避免耐盐基因表达的产物在植物组织和细胞中过度的积累引起毒害,另一方面使转基因植物在盐胁迫下如盐渍土中生长少受或不受盐害的影响,将会显著增加作物的产量和提高其品质。
目前还没有一种兼具盐胁迫诱导和盐胁迫诱导后在植物叶片中特异性表达的启动子,因此本领域迫切需要筛选和开发在盐胁迫诱导下植物叶片特异性的启动子。获得并有效利用兼具盐胁迫诱导和叶片特异性的启动子不仅有助于研究植物响应盐胁迫的分子机制,并应用于植物基因工程中使外源基因以盐胁迫诱导的形式调控目的基因在植物叶片中特异性表达,同时有针对性地提高植物的耐盐性,具有广泛的应用价值。
【发明内容】:本发明目的是解决现有植物基因工程技术中,因使用组成型启动子使外源基因在转基因植物中过量表达异源蛋白或代谢产物,使植物原有的代谢失衡,阻碍了植物的正常生长发育,甚至导致死亡。同时为深入研究植物响应盐胁迫的分子机制,并应用于植物基因工程中使外源基因以盐胁迫诱导的形式调控目的基因在植物叶片中特异性表达,同时有针对性地提高各种植物的耐盐性,提供一种盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子及其在转基因植物中的应用。
本发明提供了一种新的、1444 bp的盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子,该启动子核酸序列选自如序列表1所示的核酸序列。
作为具体应用的实例,本发明提供了一种盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子的克隆方法,具体操作步骤如下:
第一、以拟南芥基因组DNA为模板,用PCR方法扩增盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子;
第二、回收PCR扩增产物;
第三、将上述第二步回收的扩增产物,与pMD-18载体(购自TaKaRa公司)在连接酶催化下进行连接反应;
第四、将连接产物转化大肠杆菌DH5α感受态细胞;
第五、通过氨苄霉素抗性筛选,获得该启动子的阳性TA克隆。
本发明同时提供了盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子的应用,即:利用获得的盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子,构建“启动子-目的基因”的融合基因,进行拟南芥转化,从而获得基因组中含有以上所述启动子核酸序列的、以盐胁迫诱导的形式在植物叶片特异表达目的基因的转基因拟南芥。其中所述的融合基因中的目的基因可以是任何针对基础研究、转化技术、提高各种植物耐盐性所需的目的基因。
作为具体应用的实例,本发明提供了一种“启动子-GUS报告基因”融合基因的构建及其在转基因拟南芥中以盐胁迫诱导的形式在植物叶片特异性表达。具体操作过程如下:
第一、用BamH I /Nco I双酶切含有盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子的TA克隆质粒,回收该特异性启动子片段;
第二、用BamH I /Nco I双酶切pCAMBIA 1301(购自CAMBIA公司) 质粒,回收大的载体片段(其中含有GUS报告基因的编码序列);
第三、混合上述第一步获得的盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子片段和第二步获得的pCAMBIA 1301载体大片段,在连接酶催化下进行连接反应,完成在pCAMBIA 1301载体上的“盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子-GUS”融合基因的构建。
其中所设计的盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子的PCR 扩增引物如下,其中上游引物引入了BamH I酶切位点,下游引物引入了Nco I酶切位点:
上游引物:5’-CGCGGATCCAATATCACACCACGGATTGGG-3’
下游引物:5’-CATGCCATGGGTGAAGTCAACAGATAGTGA-3’
所述应用中的“启动子-GUS报告基因”在转基因拟南芥中以盐胁迫诱导的形式在植物叶片特异表达,操作过程如下:
拟南芥转化的具体方法,采用农杆菌介导的Floral dip的方法(Clough andBent, 1998),获得的种子经过50 mg l-1潮霉素抗性筛选,生长正常的抗性植株转土培养,利用组织化学染色的方法(Blume and Grierson, 1997),检测转基因拟南芥盐胁迫条件下GUS报告基因表达的特异性。
本发明的优点和积极效果:
本发明利用有效的盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子代替组成型启动子,可以用于构建在植物叶片中以盐胁迫诱导的形式特异性表达目的基因的融合基因。利用遗传转化技术将其转入拟南芥的基因组中,可以实现对目的基因的定向操作,获得兼具盐胁迫诱导和植物叶片特异性表达目的基因的转基因拟南芥。不仅有助于研究植物响应盐胁迫的分子机制,并应用于植物基因工程中使外源基因以盐胁迫诱导的形式调控目的基因在植物叶片中特异性表达,同时有针对性地提高植物的耐盐性,具有广泛的应用价值。
【附图说明】
图1 是盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子克隆的电泳检测图。泳道1:DL2000DNA Marker;泳道2:盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子克隆的PCR产物;泳道3:以水为模板的PCR负对照。
图2 是拟南芥“盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子-GUS”转基因拟南芥植株的PCR鉴定图。泳道1:DL2000 DNA Marker;泳道2-4:以转化“盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子-GUS报告基因”融合基因的转基因拟南芥植株DNA为模板的PCR产物;泳道5:以“盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子-GUS报告基因”融合基因的质粒为模板的PCR正对照;泳道6:以水为模板的PCR负对照。
图3 是AtPGK2基因在正常生长(对照)和盐胁迫处理后拟南芥幼苗的表达水平,**P﹤0.01。
图4 是转化“盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子-GUS报告基因”融合基因的转基因拟南芥植株在正常和盐胁迫生长条件下的GUS染色结果。a:在1/2 MS培养基正常条件下生长3天的拟南芥;b:在含有125 mM NaCl的1/2 MS培养基生长3天的拟南芥;a:在1/2 MS培养基正常条件下生长5天的拟南芥;b:在含有125 mM NaCl的1/2 MS培养基生长5天的拟南芥。标尺=1 mm。
【具体实施方式】
实施例1:盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子的克隆
第一、以拟南芥基因组DNA为模板,利用PCR方法扩增1444 bp的盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子,回收扩增产物并进行TA克隆。
(1)PCR扩增目的片段:
①根据已知的拟南芥AtPGK2基因启动子区的序列设计特异引物,在上游引物中引入BamH I酶切位点,下游引物中引入了Nco I酶切位点:
上游引物:5’-CGCGGATCCAATATCACACCACGGATTGGG-3’
下游引物:5’-CATGCCATGGGTGAAGTCAACAGATAGTGA-3’
②按常规方法提取拟南芥基因组DNA,以基因组DNA为模板,利用上述引物进行PCR扩增,制备盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子片段。
PCR 反应程序:
94℃ 3分钟;
94℃ 30秒,56℃ 30秒,72℃ 2分,32个循环;
72℃ 10分钟;
4℃保温。
PCR 反应体系:
试剂 加入量(µl)
灭菌双蒸水 39.0
10×反应缓冲液(含Mg2+ 5.0
dNTP(10 mmol l-1 1.0
上游引物(10 µmol l-1 1.0
下游引物(10 µmol l-1 1.0
ExTaq DNA聚合酶(5 U µl-1 1.0
模板DNA(50 ng µl-1 2.0
(2)目的片段的克隆和阳性克隆的鉴定:
①目的片段的回收:
通过琼脂糖凝胶电泳回收目的DNA片段,回收方法采用大连宝生物公司的DNA琼脂糖凝胶回收试剂盒,具体操作步骤见商品说明书。
②连接:
加入下列反应体系的试剂,16℃反应过夜,实现目的片段与pMD18-T(购自TaKaRa公司) 载体的连接。
连接体系:
试剂 加入量(µl)
纯化回收后的PCR产物(50 ng µl-1 4.5
PMD18-T载体(50 ng µl-1 0.5
Solution I连接酶 5.0
③转化和阳性克隆的鉴定:
按常规的CaCl2诱导和转化方法,制备大肠杆菌DH5α 感受态细胞,用10 μl连接产物转化感受态细胞,然后均匀涂布到含有Amp、X-gal和IPTG的平板上,37℃倒置培养12小时。挑选转化平板上的白色菌落,按上述的PCR引物和扩增条件,以质粒提取物为模板,进行PCR 扩增,经琼脂糖凝胶电泳检测产生1444 bp的盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子片段,即为含有该启动子序列的阳性克隆(见图1)。
④测序验证
经过鉴定的阳性克隆,进行DNA测序,其核酸序列如序列表1所示。
实施例2:利用pCAMBIA1301载体(含有GUS报告基因)构建“盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子-GUS”融合基因
(1)从大肠杆菌中提取载体pCAMBIA 1301质粒(购自CAMBIA公司),用BamH I/NcoI双酶切后回收大的载体片段(其中包含有GUS报告基因序列)。
(2)从实施例1所制备的TA克隆中提取质粒,用BamH I/Nco I双酶切,通过琼脂糖凝胶电泳回收(同实施例1)盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子片段。
(3)将上述两个片段在连接酶催化下于16℃连接过夜,完成pCAMBIA 1301载体上的“盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子-GUS”融合基因构建。
连接体系:
试剂 加入量(µl)
盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子片段(50 ng µl-1 2.0
pCAMBIA1301载体大片段(50 ng µl-1 3.0
Solution I连接酶 5.0
(4)用连接混合物转化大肠杆菌DH5α感受态细胞,方法同实施例1。
(5)挑选转化平板(卡那霉素抗性) 上的白色菌落,按常规方法提取质粒进行PCR反应,鉴定质粒中的“盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子-GUS”融合基因,扩增片段的大小是2243 bp。所用引物如下:
上游引物:5’-CGCGGATCCAATATCACACCACGGATTGGG-3’
下游引物:5’-TACAGTCTTGCGCGACATGCG-3’
(7) 经过酶切和PCR鉴定的阳性克隆,送交测序公司测序。
(8)从阳性克隆中提取质粒,用常规方法转化农杆菌GV3101,获得工程化农杆菌,用于植物转化。
实施例3:转基因拟南芥植株的制备
(1)用实施例2构建的“盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子-GUS”融合基因转化拟南芥,具体转化方法采用农杆菌介导的Floral dip的方法(Clough and Bent, 1998),获得的种子经过50 mg l-1潮霉素抗性筛选,生长正常的植株转土培养。
(2) 转基因植株的PCR检测:分别剪取转基因植株和野生型植株的叶片,参考《分子克隆实验指南(第三版)》(黄培堂等,2002) 方法提取叶片基因组DNA,用如下引物进行PCR反应,反应体系如同实施例1:
上游引物:5’-CGCGGATCCAATATCACACCACGGATTGGG-3’
下游引物:5’-TACAGTCTTGCGCGACATGCG-3’
PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳,转基因植株出现2243 bp的“盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子-GUS”融合基因条带,非转基因植株未出现融合基因条带,证明目的片段已整合到植物基因组中(见图2)。
实施例4:拟南芥AtPGK2基因的表达受盐胁迫的诱导
(1)利用异硫酸腈胍-酚法提取拟南芥植株的总RNA,药品的使用、配制以及具体操作步骤参考《分子克隆实验指南(第三版)》(黄培堂等,200)的方法。
(2)取1 (g RNA作反转录的模板,以P2853为引物利用Promega的反转录酶ImProm-II TM进行反转录,P2853引物序列、反转录程序和反转录体系如下。
P2853引物序列:5’-GCGAATTCTTTTTTTTTTTTTTTTT-3’
反转录程序:
72℃ 5分钟;25℃ 5分钟;42℃ 60分钟;80℃ 20分钟;4℃保温。
反转录体系:
试剂 加入量(µl)
DEPC水 5.0
P2853引物(10 µmol l-1 1.0
5×反应缓冲液(含Mg2+ 4.0
MgCl2(25 mmol l-1 2.4
dNTP(10 mmol l-1 4.0
HPRI抑制剂 0.6
ImProm-II TM 反转录酶(5 U µl-1 1.0
模板RNA(50 ng µl-1 2.0
(3)将野生型拟南芥种子培养在1/2 MS固体培养基上生长5天(生长条件:光照强度:90 µE m-2 s-1,光周期:16 h光照/8 h黑暗),然后将幼苗分别培养在1/2 MS液体培养基和含有150 mM NaCl的1/2 MS液体培养基12 h,提取植物组织的总RNA并反转录为mRNA,用下列引物、反应程序和反应体系进行PCR反应:
AtPGK2基因的检测引物:
上游引物:5’-CGTTGACTCTCGTTTCTCGGTCC-3’
下游引物:5’-TCCAACACTCTTCTTCGCCATCG-3’
TIP41-like基因的检测引物:
上游引物:5’-GTATGAAGATGAACTGGCTGACAAT-3’
下游引物:5’-ATCAACTCTCAGCCAAAATCGCAAG-3’
反应程序:
95℃:2 分钟;1 个循环;95℃:10 秒;60℃:30秒;40 个循环。
反应体系:
成分 加入量((L)
灭菌双蒸水 4.0
2 x SYBR Premix 10.0
cDNA(10 ng/(L) 2.0
上游引物(2 µmol l-1 2.0
下游引物(2 µmol l-1 2.0
实时定量PCR结果如图3所示,拟南芥幼苗经盐胁迫处理后AtPGK2基因表达量显著升高,与对照比较表达水平增加大约5倍。
实施例5:盐胁迫诱导AtPGK2基因的启动子在拟南芥叶片中具有很强的活性
利用组织化学染色(Blume and Grierson, 1997)的方法,检测转化“AtPGK2基因启动子-GUS”融合基因的T1代转基因植物中AtPGK2基因启动子受盐胁迫诱导的特异性。在转基因植物中各个器官、组织或细胞中的蓝色为报告基因GUS的组织化学染色,代表AtPGK2基因启动子在这些部位具有表达活性。染色时间为12 h,将材料的染色结果扫描成图片后保存。
染色结果如图4:光周期16 h光/8 h暗条件下,在““AtPGK2基因启动子-GUS”转基因拟南芥在1/2 MS固体培养基生长3天或5天的光照苗中GUS的活性很弱,但是当转基因幼苗生长在含有125 mM NaCl的1/2 MS固体培养基生长3天或5天,结果显示经盐处理的转基因拟南芥GUS活性很强,并且GUS报告基因特异性地表达在拟南芥的叶片组织。
上述的实施例结果表明并且确证,本发明所提供的拟南芥AtPGK2基因启动子不仅具有强的盐胁迫诱导活性,而且经盐胁迫诱导后具有很好的叶片组织特异性。获得并有效利用该启动子,不仅有助于研究植物响应盐胁迫的分子机制,并应用于植物基因工程中使外源基因以盐胁迫诱导的形式调控目的基因在植物叶片中特异性表达,同时有针对性地提高植物或经济作物的耐盐性,具有广泛的应用价值。
序列表
SEQUENCE LISTING
<110> 江西农业大学
<120> 一种盐胁迫诱导的植物叶片特异性启动子及其应用
<130> 2014
<160> 9
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 1444
<212> DNA
<213> 拟南芥(Arabidopsis thaliana)
<400> 1
ggatccaata tcacaccacg gattgggcag cccatgaggt atgctgcacg acaaataagc 60
tgcaatcgtt agccacaaaa cgagaaagaa atttcataaa aatactaatg atcacgaatg 120
tcttaccaac aagaagatga ccagcttcgt gaactacgat tctacgctta tgtggaggcc 180
agtagcatga tacttgggct aagcaggtac caccaagaaa aacggaatcc aaataagcta 240
gacccaaaat gacagcaagg tttggccgca catcaatctc ctgtgaaaga agataggaga 300
ctccacccag caaagcagcc agagcaatgc tagaaccacc agaaagtccc cacttcttcg 360
gtgaaagttt agtcactaac caatataaac agtaaaataa gtttccatcg ccacacactg 420
agtaatcaaa gatgactgaa gagagaaatt tgagctacac accttccaag ccagttgcag 480
acttcaggac agtaggtgtt acctctcttg ttccttccaa aactgcatca cagtgataca 540
gaagcaagaa acttatgaaa cgatacaaat taatcagttc aaatgctcgc acacatagct 600
aaacattact tttgtacatc tatctaaaca gaagttgatt ttgaaggcgc aaagaagaga 660
aaacagagta ccaatactgg tgaatttgcc gaagttggcc aaaagacctc tctccttaag 720
aaacctaaac gcacttccaa caagtctcat atcatctgca ttcaaacacg catctaaaac 780
ttgccaatcc ctctccaatt caagagctcc caagccgctt aacttagccg tgacaataga 840
ttcaaccgaa tcacgctgtt catcattttc aatagatttg aggaatctaa gagccccggc 900
gagatctttt ctcttcacag catcttcgta ctcccgccat tccctgagtg cgctcggcct 960
ccgcaactca tgcttccgga cgctaccaaa gactagagac tgtacgcgtg gaacaaggaa 1020
gccaatttgg cgagaaaaag aaggcgaaag agatctgaga catggaggag acgacggaga 1080
taaagccatt agaggtgctt ctcgccggga tttccaaaat aaaataaacg acgtttatat 1140
tcgaaaggac agaaattcat tgggccgagt aaagcccatt tagctattta aatattgcaa 1200
atgagttatt taacttcatt atatttattt ttagagttgt cttttccata tatggaagta 1260
aacttttcga tcaaaagaca tgatctttgt gaatgtgggc aacgattgta agcagaggga 1320
aggcgaagaa ttatgataac ctctcatcaa cgataagaca aaatccataa actagtaata 1380
tcatccaatc ctctcacttc ttccttattc cctcactttc actctcacta tctgttgact 1440
tcac 1444
<210> 2
<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 2
cgcggatcca atatcacacc acggattggg 30
<210> 3
<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 3
catgccatgg gtgaagtcaa cagatagtga 30
<210> 4
<211> 21
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 4
tacagtcttg cgcgacatgc g 21
<210> 5
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 5
gcgaattctt tttttttttt ttttt 25
<210> 6
<211> 23
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 6
cgttgactct cgtttctcgg tcc 23
<210> 7
<211> 23
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 7
tccaacactc ttcttcgcca tcg 23
<210> 8
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 8
gtatgaagat gaactggctg acaat 25
<210> 9
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 9
atcaactctc agccaaaatc gcaag 25

Claims (1)

1.一种盐胁迫诱导的拟南芥叶片特异性启动子的应用,其特征在于:利用该启动子构建获得“启动子-目的基因”的融合基因,将其转化拟南芥,从而获得可在拟南芥叶片中以盐胁迫诱导的方式特异性表达相应目的基因的转基因拟南芥,所述启动子的序列如序列1所示。
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